RU203306U1

RU203306U1 - Magnetic planetary gear

Info

Publication number: RU203306U1
Application number: RU2020140254U
Authority: RU
Inventors: Денис Даутказыевич Закиев; Андрей Николаевич Маргин; Николай Алексеевич Крутских; Сергей Якубович Алибеков; Ольга Николаевна Стародубцева; Вадим Владимирович Локшин
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-03-30

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для передачи вращения в различного рода инерционных механизмах, высокочувствительных приборах, автономных устройствах длительного непрерывного действия как в нормальных условиях, так и в условиях вакуума, радиации, низких температур в системах с высокими требованиями к составу газовой среды, взрывобезопасности и к уровню локальной акустической нагрузки.Магнитная планетарная передача состоит из ведущего вала 1 с закрепленным на нем водилом 2. На водиле установлены сателлиты 3, на внешнем периметре которых с шагом N расположены постоянные магниты 4, одновременно взаимодействующие с постоянными магнитами, расположенными с шагом N, на внешнем периметре солнечного 5 и внутреннем периметре коронного 6 колес. Солнечное колесо 5 выполнено в виде муфты свободного хода, состоящей из наружной обоймы 7, тел качения 8 и звездочки 9, жестко связанной с ведомым валом 10.Техническим результатом полезной модели является повышение КПД и расширение функциональных возможностей магнитного планетарного механизма. 4 ил.The utility model relates to the field of mechanical engineering and can be used to transfer rotation in various kinds of inertial mechanisms, highly sensitive devices, autonomous devices of long-term continuous action both under normal conditions and under vacuum, radiation, low temperatures in systems with high requirements for the composition of gas. environment, explosion safety and to the level of local acoustic load. The magnetic planetary gear consists of a drive shaft 1 with a carrier fixed on it 2. Satellites 3 are installed on the carrier, on the outer perimeter of which permanent magnets 4 are located with a pitch N, simultaneously interacting with permanent magnets located with a step N, on the outer perimeter of the solar 5 and the inner perimeter of the crown 6 wheels. The sun wheel 5 is made in the form of a freewheel clutch consisting of an outer cage 7, rolling elements 8 and an asterisk 9 rigidly connected to the driven shaft 10. The technical result of the utility model is to increase the efficiency and expand the functionality of the magnetic planetary mechanism. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для передачи вращения в различного рода инерционных механизмах, высокочувствительных приборах, автономных устройствах длительного непрерывного действия как в нормальных условиях, так и в условиях вакуума, радиации, низких температур в системах с высокими требованиями к составу газовой среды, взрывобезопасности и к уровню локальной акустической нагрузки.The utility model relates to the field of mechanical engineering and can be used to transfer rotation in various kinds of inertial mechanisms, highly sensitive devices, autonomous devices of long-term continuous action both under normal conditions and under vacuum, radiation, low temperatures in systems with high requirements for the composition of gas. environment, explosion safety and to the level of local acoustic load.

Известны различные типы классических планетарных передач ([1], стр.73). Основным недостатком планетарных зубчатых передач является наличие потерь на трение вследствие имеющегося контактного взаимодействия между сопрягаемыми поверхностями зубчатых колес, сопровождающегося нагревом и износом трущихся поверхностей и повышенным уровнем шума во время работы. Обязательное наличие смазочного материала (отсюда невозможность длительной эксплуатации механизма в условиях вакуума), появление продуктов его распада с дальнейшими трудностями связанными как с необходимостью периодического обслуживания, так и с утилизацией отработанных масляных отходов с присутствующими в них продуктами износа механизма. Технологическая сложность изготовления профиля зубчатых колес требующая наличия специального оборудования. В случае аварийной остановки, заклинивания или превышения крутящего момента существует вероятность поломки или разрушения элементов зубчатого колеса с последующим выходом из строя всего механизма. Приведенные выше особенности делают малоэффективным использование планетарных механизмов данного типа в системах автономного энергоснабжения, высокочувствительных конструкциях выполненных на магнитной опоре, различного рода инерционных накопителях энергии.Various types of classical planetary gears are known ([1], p. 73). The main disadvantage of planetary gears is the presence of friction losses due to the existing contact interaction between the mating surfaces of the gears, accompanied by heating and wear of the rubbing surfaces and an increased noise level during operation. The obligatory presence of a lubricant (hence the impossibility of long-term operation of the mechanism under vacuum conditions), the appearance of products of its decay with further difficulties associated both with the need for periodic maintenance and with the disposal of waste oil waste with the wear products of the mechanism present in them. The technological complexity of the manufacture of the profile of gears requiring special equipment. In the event of an emergency stop, jamming or excess torque, there is a possibility of breakage or destruction of the gear wheel elements, followed by the failure of the entire mechanism. The above features make the use of planetary mechanisms of this type ineffective in autonomous power supply systems, highly sensitive structures made on a magnetic support, various kinds of inertial energy storage devices.

Известны планетарные электромагнитные механизмы ([2], стр. 14), содержащие сателлит, ведущий вал (водило), обмотку возбуждения, ведомый вал, венцы сателлита, подвижное и неподвижное главные колеса. Недостатком приведенного выше механизма является его низкая надежность вследствие зависимости от внешнего источника питания и соответственно малый КПД при его использовании как встраиваемого конструктивного элемента в различных системах автономного энергоснабжения или в инерционных накопителях энергии вследствие необходимости дополнительных затрат энергии для его эффективного функционирования.Known planetary electromagnetic mechanisms ([2], p. 14), containing a satellite, a drive shaft (carrier), an excitation winding, a driven shaft, satellite crowns, movable and fixed main wheels. The disadvantage of the above mechanism is its low reliability due to its dependence on an external power source and, accordingly, low efficiency when it is used as an embedded structural element in various autonomous power supply systems or in inertial energy storage devices due to the need for additional energy consumption for its effective functioning.

Наиболее близким по технической сущности прототипом является магнитная передача (RU № 65990, F16H1/06, от 09.08.2005), содержащая соосно расположенные в корпусе ведущий и ведомый вал. На ведущем валу эксцентрично установлен охватываемый элемент из немагнитного материала с постоянными стержневыми магнитами, взаимодействующий с постоянными магнитами неподвижного кольцевого элемента. Зубчатый элемент через стержни и диск с отверстиями передает крутящий момент на ведомый вал.The closest in technical essence to the prototype is a magnetic transmission (RU No. 65990, F16H1 / 06, from 09.08.2005), containing coaxially located in the housing drive and driven shaft. A male element made of non-magnetic material with permanent bar magnets is eccentrically mounted on the drive shaft, interacting with the permanent magnets of the stationary annular element. The toothed element transmits torque to the driven shaft through rods and a disc with holes.

Недостатком приведенной выше магнитной передачи является низкие функциональные возможности, технологическая сложность, заключающаяся в необходимости точного изготовления, сборки, позиционирования (с учетом эксцентриситета) и дальнейшей эксплуатации охватываемого элемента на ведущем валу. Установка охватываемого элемента с эксцентриситетом уменьшает величину преобразования частот вращения на входном валу в меньшую сторону из-за появления вибраций на больших скоростях. Передача крутящего момента на ведомый вал через диск с отверстиями создает дополнительные потери в виде трения скольжения, в зонах контакта стержней по внутреннему периметру отверстий диска, уменьшая КПД передачи в целом. Разный шаг устанавливаемых магнитов на неподвижном кольцевом элементе и охватываемом элементе будет неизбежно приводить к положению, когда одна из пар магнитов будет попадать в неустойчивое положение соответствующее совпадению их одноименных полюсов (фиг.2). Возникающие при этом силы будут стремиться, в зависимости от дефектов материала магнитов, неоднородности магнитного поля и инерционной составляющей охватываемого элемента, сместить его как в прямом, совпадающем с направлением вращения, так и в реверсивном направлениях, что может приводить как к неравномерности вращения выходного вала во время работы, так и к его колебательным движениям после остановки механизма.The disadvantage of the above magnetic transmission is low functionality, technological complexity, which consists in the need for precise manufacturing, assembly, positioning (taking into account eccentricity) and further operation of the male element on the drive shaft. Installation of a male element with an eccentricity reduces the amount of conversion of rotational speeds on the input shaft downward due to the appearance of vibrations at high speeds. The transmission of torque to the driven shaft through the disc with holes creates additional losses in the form of sliding friction in the contact zones of the rods along the inner perimeter of the disc holes, reducing the transmission efficiency as a whole. A different pitch of the installed magnets on the stationary annular element and the male element will inevitably lead to a situation where one of the pairs of magnets will fall into an unstable position corresponding to the coincidence of their like poles (Fig. 2). The forces arising in this case will tend, depending on the defects in the material of the magnets, the inhomogeneity of the magnetic field and the inertial component of the covered element, to displace it both in the direct, coinciding with the direction of rotation, and in the reverse directions, which can lead to both uneven rotation of the output shaft during operating time, and to its oscillatory movements after stopping the mechanism.

Целью полезной модели является повышение КПД и расширение функциональных возможностей магнитного планетарного механизма.The purpose of the utility model is to increase the efficiency and expand the functionality of the magnetic planetary mechanism.

Техническим результатом полезной модели является повышение КПД магнитной планетарной передачи путем минимизации возникающих потерь на трение посредством применения бесконтактного равномерно распределенного взаимодействия одноименных магнитных полей постоянных магнитов с использованием классических схем построения планетарных передач с дополнительно встраиваемыми конструктивными элементами.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of the magnetic planetary gear by minimizing the resulting friction losses through the use of non-contact uniformly distributed interaction of the magnetic fields of the same name of permanent magnets using classical planetary gears with additionally built-in structural elements.

Технический результат достигается за счет того, что магнитная планетарная передача состоит из коронного колеса, на внутреннем периметре которого дифференцированно, с равным шагом, располагаются постоянные магниты. На определенном равном расстоянии от внутреннего периметра коронного колеса и внешнего периметра солнечного колеса располагаются закрепленные на водиле, с возможностью свободного вращения, сателлиты, на внешнем периметре которых крепятся постоянные магниты, с шагом расположения, равным шагу расположения магнитов на коронном и солнечном магнитных колесах, и обеспечивающих бесконтактное взаимодействие посредством одноименных магнитных полей постоянных магнитов с коронным и солнечным магнитными колесами. Постоянные магниты, как на внутреннем периметре коронного колеса, так и внешнем периметре сателлитов и солнечного колеса, расположены одноименными полюсами друг к другу. Солнечное колесо выполнено в виде муфты свободного хода, обеспечивающей передачу вращения в одном направлении. Конструктивные элементы магнитной планетарной передачи могут быть изготовлены из керамики, аустенитных сталей, никель марганцевых чугунов, сплавов меди, алюминия, титана и других материалов, обладающих низкими магнитными свойствами.The technical result is achieved due to the fact that the magnetic planetary gear consists of a crown wheel, on the inner perimeter of which permanent magnets are differentiated, with equal pitch. At a certain equal distance from the inner perimeter of the crown wheel and the outer perimeter of the sun wheel, there are satellites fixed on the carrier, with the possibility of free rotation, on the outer perimeter of which permanent magnets are attached, with an arrangement pitch equal to the pitch of the magnets on the crown and solar magnetic wheels, and providing contactless interaction by means of the magnetic fields of the same name of permanent magnets with corona and solar magnetic wheels. Permanent magnets, both on the inner perimeter of the crown wheel and the outer perimeter of the satellites and the sun wheel, are located with the same poles to each other. The sun wheel is made in the form of a freewheel clutch that provides rotation in one direction. The structural elements of the magnetic planetary gear can be made of ceramics, austenitic steels, nickel-manganese cast irons, alloys of copper, aluminum, titanium and other materials with low magnetic properties.

На фиг.1 изображена магнитная планетарная передача общий вид. На фиг.2 общий вид в разрезе. На фиг.3 изображено взаимодействие магнитных полей постоянных магнитов с устройством обгонной муфты в солнечном колесе. На фиг.4 изображено несколько магнитных планетарных рядов.Figure 1 shows a magnetic planetary gear General view. Figure 2 is a general sectional view. Figure 3 shows the interaction of the magnetic fields of permanent magnets with a freewheel device in the sun wheel. Figure 4 shows several magnetic planetary gear sets.

Магнитная планетарная передача состоит из ведущего вала 1 с закрепленным на нем водилом 2. На водиле установлены сателлиты 3, на внешнем периметре которых с шагом N расположены постоянные магниты 4, одновременно взаимодействующие с постоянными магнитами, расположенными с шагом N, на внешнем периметре солнечного 5 и внутреннем периметре коронного 6 колес. Солнечное колесо 5 выполнено в виде муфты свободного хода, состоящей из наружной обоймы 7, тел качения 8 и звездочки 9, жестко связанной с ведомым валом 10. The magnetic planetary gear consists of a drive shaft 1 with a carrier 2 fixed to it 2. Satellites 3 are installed on the carrier, on the outer perimeter of which permanent magnets 4 are located with a step N, simultaneously interacting with permanent magnets located with a step N on the outer perimeter of the solar 5 and the inner perimeter of the crown 6 wheels. The sun wheel 5 is made in the form of a freewheel clutch consisting of an outer cage 7, rolling elements 8 and an asterisk 9 rigidly connected to the driven shaft 10.

Магнитная планетарная передача работает следующим образом. При вращении ведущего вала 1 против часовой стрелки, вращающий момент передается на водило 2, на котором закреплены сателлиты 3. Постоянные магниты, расположенные на внешнем периметре сателлитов, вращающихся при этом по часовой стрелке, взаимодействуют с магнитами коронного колеса 6, передавая крутящий момент на солнечное колесо 5, вращающее обойму 7, как и входной вал с водилом, против часовой стрелки. Постоянные магниты на внешнем периметре сателлитов и солнечного колеса и внутреннем периметре коронного колеса (фиг.3) расположены с шагом N и направлены одноименными полюсами друг к другу. Дискретное расположение одноименных полюсов постоянных магнитов с равным шагом создает по периметрам колес единый парасинусоидальный магнитный профиль, суммарно представляющий собой равномерно чередующиеся области с зонами минимальной и максимальной плотности магнитных полей одного знака, соответствующий профилю зубчатого колеса, что обеспечивает сцепление магнитных колес и сателлитов. Отсутствие жестких ограничительных зон, по границам контакта взаимодействующих одноименных магнитных полей постоянных магнитов, обеспечивает не только плавность сцепления, но и компенсирует неточности при позиционировании в механизме как магнитных колес с сателлитами, так и устанавливаемых в них магнитов, снижая при этом технологические требования к изготовлению и сборке элементов передачи.The magnetic planetary gear works as follows. When the drive shaft 1 rotates counterclockwise, the torque is transmitted to the carrier 2, on which the satellites 3 are fixed. Permanent magnets located on the outer perimeter of the satellites, rotating clockwise, interact with the magnets of the ring wheel 6, transmitting the torque to the solar wheel 5, which rotates the cage 7, like the input shaft with the carrier, counterclockwise. Permanent magnets on the outer perimeter of the satellites and the sun wheel and the inner perimeter of the crown wheel (Fig. 3) are located with a pitch N and are directed by the poles of the same name to each other. The discrete arrangement of the poles of the same name of permanent magnets with an equal pitch creates a single parasinusoidal magnetic profile along the perimeters of the wheels, which in total is uniformly alternating areas with zones of minimum and maximum density of magnetic fields of the same sign, corresponding to the profile of the gear wheel, which ensures adhesion of the magnetic wheels and satellites. The absence of rigid limiting zones along the contact boundaries of the interacting magnetic fields of the same name of permanent magnets ensures not only smooth adhesion, but also compensates for inaccuracies in positioning both magnetic wheels with satellites and magnets installed in them in the mechanism, while reducing the technological requirements for manufacturing and assembly of transmission elements.

При проворачивании обоймы 7 солнечного колеса против часовой стрелки, стальные тела качения 8, поджатые магнитами к обойме 7, смещаются в область клина между звездочкой 9 и обоймой 7 с последующим заклиниванием муфты свободного хода. В результате ведомый вал 10 начинает вращаться вместе с солнечным колесом против часовой стрелки. Уменьшение частоты вращения ведомого вала 1 относительно ведущего 10 будет приводить к смещению обоймы солнечного колеса 7 относительно звездочки 9 и ведомого вала 10 по часовой стрелке. В результате тела качения 8 за счет трения качения обоймы 7 и воздействия постоянных магнитов солнечного колеса будут выталкиваться из области клина. Происходит расклинивание муфты свободного хода и, как следствие, ведомый вал не подтормаживается замедляющимся ведущим. When the cage 7 of the sun wheel is turned counterclockwise, the steel rolling bodies 8, pressed by the magnets to the cage 7, are displaced into the wedge area between the sprocket 9 and the cage 7, followed by jamming of the freewheel. As a result, the driven shaft 10 begins to rotate counterclockwise together with the sun wheel. A decrease in the frequency of rotation of the driven shaft 1 relative to the driving 10 will lead to the displacement of the cage of the sun wheel 7 relative to the sprocket 9 and the driven shaft 10 clockwise. As a result, the rolling elements 8 will be pushed out of the wedge area due to the rolling friction of the cage 7 and the effect of the permanent magnets of the sun wheel. There is a wedging of the freewheel clutch and, as a result, the driven shaft is not braked by the decelerating drive shaft.

Величина передаваемого крутящего момента в предлагаемой передаче может варьироваться как коэрцетивной силой используемых в зацеплении магнитов и количеством сателлитов, размещаемых на водиле, так и величиной воздушного зазора между сателлитами и магнитными колесами.The magnitude of the transmitted torque in the proposed transmission can vary both by the coercive force of the magnets used in the engagement and the number of satellites placed on the carrier, and the size of the air gap between the satellites and the magnetic wheels.

Предлагаемая магнитная планетарная передача может быть использована как элемент конструкции ветроэнергетической установки в качестве мультипликатора, передающего вращение от ветроколеса к генератору, в инерционных механических накопителях энергии, как конструктивный элемент сцепления, в различного рода устройствах, требующих однонаправленной передачи вращения.The proposed magnetic planetary gear can be used as a structural element of a wind power plant as a multiplier that transfers rotation from a wind wheel to a generator, in inertial mechanical energy storage, as a structural element of a clutch, in various devices requiring unidirectional transmission of rotation.

В предлагаемой магнитной планетарной передаче солнечное колесо 5, в зависимости от технических требований, предъявляемых к магнитной планетарной передаче, может быть выполнено как с жесткой связью с ведущим валом, так и в виде муфт: одно или двусторонних фрикционной/храповой; глухих; жестких подвижных; упругих подвижных; кулачковых; фрикционных; предохранительных; центробежных; магнитных.In the proposed magnetic planetary gear, the sun wheel 5, depending on the technical requirements for the magnetic planetary gear, can be made both with a rigid connection with the drive shaft, and in the form of couplings: one or two-sided friction / ratchet; deaf; rigid movable; elastic movable; cam; frictional; safety; centrifugal; magnetic.

Предлагаемая планетарная магнитная передача, в зависимости от технических требований, может быть исполнена в несколько планетарных рядов (фиг.4) как с жесткой связью между ведомым валом солнечным колесом, так и опосредованное различными типами муфт. The proposed planetary magnetic gear, depending on the technical requirements, can be executed in several planetary sets (Fig. 4) both with a rigid connection between the driven shaft of the sun wheel, and mediated by various types of couplings.

ЛитератураLiterature

1. Проектирование механических передач. Учеб. пособие для немашинотроит. вузов. Изд. 4-е, перераб. М., «Машиностроение», 1976.1. Design of mechanical transmissions. Textbook. manual for nemachinotroit. universities. Ed. 4th, rev. M., "Mechanical Engineering", 1976.

2. Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник. - Л.; Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 364с.2. Ganzburg LB, Fedotov A.I. Design of electromagnetic and magnetic mechanisms: Handbook. - L .; Mechanical engineering. Leningrad. department, 1980. - 364s.

Claims

Magnetic planetary gear, consisting of a drive shaft with a carrier attached to it, on which satellites are installed, on the outer perimeter of which permanent magnets are located, simultaneously interacting with permanent magnets located on the inner perimeter of the crown wheel and the outer perimeter of the sun wheel, made in the form of a free clutch stroke, consisting of an outer cage, rolling elements and an asterisk rigidly connected to the driven shaft, characterized in that the proposed transmission is kinematically made in the form of a classical planetary gear with no eccentricity of the male element, functionally representing a sun wheel, made in the form of a one-way overrunning clutch , which has a kinematic connection with the drive shaft and the carrier rigidly connected to it, mediated by the satellites and the crown wheel through the interaction of the same poles of permanent magnets, installed with an equal pitch along their perimeters.